基于Opentrack的軌道交通運(yùn)行仿真實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

高帆等

[摘 要]利用Opentrack軟件可以對(duì)城市軌道交通列車運(yùn)行進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真，以動(dòng)畫(huà)的形式呈現(xiàn)給用戶，并可生成列車運(yùn)行圖等有效數(shù)據(jù)，從事運(yùn)營(yíng)管理的人可直觀判斷并計(jì)算分析城市軌道交通行車組織方案是否可行、可靠。發(fā)揮Opentrack軟件優(yōu)良的仿真特性，為學(xué)生提供很好的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可設(shè)計(jì)開(kāi)放式、綜合性、研究性的仿真實(shí)驗(yàn)，幫助學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解，提高學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力以及綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力，從而培養(yǎng)具有專業(yè)素養(yǎng)的應(yīng)用型人才。

[關(guān)鍵詞]Opentrack 行車組織仿真實(shí)驗(yàn)

[中圖分類號(hào)] TP391.9；U239.5 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 2095-3437（2014）18-0101-02

引言

城市軌道交通在設(shè)計(jì)上一般有站間距離較短、行車密度較高、行駛速度較快、安全性能好的要求。因此，對(duì)于從事運(yùn)行管理的人員來(lái)說(shuō)，根據(jù)客流量等前期數(shù)據(jù)計(jì)算并制訂合理的行車組織方案對(duì)日后軌道交通安全、高效運(yùn)行起著決定性作用。所以，如果能在正式運(yùn)營(yíng)之前依據(jù)設(shè)計(jì)好的行車組織方案對(duì)列車運(yùn)行進(jìn)行仿真測(cè)試，并依據(jù)仿真結(jié)果修改而制訂出更加合理、可靠的行車組織方案也有著重要意義。

利用Opentrack軟件實(shí)現(xiàn)仿真后，用戶可直觀地看到列車運(yùn)行過(guò)程、軌道占用情況、進(jìn)路排列情況等的二維動(dòng)畫(huà)。然后，用戶可利用仿真后設(shè)置生成的列車運(yùn)行圖等仿真數(shù)據(jù)，進(jìn)行各種指標(biāo)的計(jì)算和分析，以進(jìn)一步確定行車組織方案的可行性并做出合理優(yōu)化。

目前城市軌道交通運(yùn)營(yíng)管理的數(shù)字化、智能化、信息化是可持續(xù)發(fā)展的根本保證，這要求學(xué)校培養(yǎng)具有專業(yè)理論知識(shí)和熟練操作能力的，適應(yīng)生產(chǎn)、管理、服務(wù)于一線的應(yīng)用型人才。為滿足培養(yǎng)需求，運(yùn)用Opentrack軟件給學(xué)生提供一個(gè)良好的仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，讓學(xué)生利用多方面專業(yè)理論知識(shí)自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。這樣遠(yuǎn)比傳統(tǒng)教學(xué)模式中單純的知識(shí)灌輸更加形象直接，也更易于學(xué)生的理解和應(yīng)用。

一、Opentrack軟件結(jié)構(gòu)和功能

（一）Opentrack軟件結(jié)構(gòu)

Opentrack用戶需輸入的三大類型數(shù)據(jù)分別對(duì)應(yīng)三個(gè)模塊：車輛和牽引機(jī)車數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)線路設(shè)施數(shù)據(jù)和列車時(shí)刻表數(shù)據(jù)，用戶輸入相關(guān)數(shù)據(jù)信息后即可進(jìn)行仿真。仿真運(yùn)行是利用連續(xù)—離散計(jì)算方法來(lái)模擬的，通過(guò)不同運(yùn)動(dòng)方式連續(xù)模擬列車運(yùn)行，離散模擬信號(hào)設(shè)備信息顯示狀態(tài)。仿真過(guò)程中能提供多種不同格式的數(shù)據(jù)輸出以ASCII碼形式保存，用戶可根據(jù)需要用文本編輯器或Excel完成保存和處理。

（二）Opentrack軟件功能

結(jié)合我國(guó)城市軌道交通的發(fā)展情況，經(jīng)過(guò)應(yīng)用實(shí)踐，Opentrack軟件除了可以完成列車運(yùn)行實(shí)時(shí)仿真外，還可對(duì)城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行需求分析與規(guī)劃，以及完成對(duì)線路和車站的運(yùn)營(yíng)能力分析和列車牽引分析。設(shè)置列車時(shí)刻表并分析其適應(yīng)性和魯棒性，同時(shí)還能對(duì)自動(dòng)閉塞系統(tǒng)和移動(dòng)閉塞系統(tǒng)等多種信號(hào)系統(tǒng)進(jìn)行分析。此外其最突出的功能是事故模擬（基礎(chǔ)設(shè)施故障和車輛故障等）和延遲模擬分析。

二、基于Opentrack的行車仿真實(shí)驗(yàn)流程

（一）實(shí)驗(yàn)的目的及意義

在有關(guān)行車組織方案的日常教學(xué)中，由于涉及的專業(yè)知識(shí)面廣且多數(shù)需以動(dòng)態(tài)模式展示，所以在教學(xué)過(guò)程中往往存在教授知識(shí)片面、不夠系統(tǒng)直觀的問(wèn)題。這都是培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用多學(xué)科知識(shí)和技術(shù)進(jìn)行城市軌道交通有效安全運(yùn)營(yíng)等專業(yè)能力的瓶頸。利用Opentrack軟件不僅可幫助教師完成教學(xué)演示，還可幫助學(xué)生直觀、輕松地學(xué)習(xí)多方面的專業(yè)知識(shí)，將理論知識(shí)與實(shí)際聯(lián)系起來(lái)，提高學(xué)生對(duì)多類專業(yè)知識(shí)的實(shí)際應(yīng)用能力。學(xué)生還可利用該軟件在課后自主實(shí)驗(yàn)完成操作仿真，大大地提高自主創(chuàng)新能力的實(shí)際操作能力。

（二）實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

Opentrack作為良好的輔助工具，首先應(yīng)制訂好行車組織計(jì)劃，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)仿真并利用仿真數(shù)據(jù)完成對(duì)列車運(yùn)行計(jì)劃的合理優(yōu)化分析。利用Opentrack完成仿真實(shí)驗(yàn)的操作流程如圖所示。

三、基于Opentrack的行車仿真實(shí)驗(yàn)操作

（一）線路搭建及其數(shù)據(jù)輸入

利用Opentrack進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真的基礎(chǔ)是線路搭建。利用路網(wǎng)編輯器，構(gòu)建車站及區(qū)間的軌道網(wǎng)拓?fù)鋱D，并對(duì)線路長(zhǎng)度、曲線半徑、坡度、線路等信息進(jìn)行編輯。[4]不僅可以搭建簡(jiǎn)單線路，還可完成對(duì)復(fù)雜線路、不同種配線的搭建。

利用Opentrack分別對(duì)其完成仿真運(yùn)行，用戶便可直觀地看到列車運(yùn)行情況并得到多方面結(jié)果數(shù)據(jù)，完成對(duì)不同運(yùn)行結(jié)果的比對(duì)分析，從而確定哪種運(yùn)行方案更加適用、可靠。

在歐洲，挪威軌道交通全網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的運(yùn)行測(cè)試均是由Opentrack軟件仿真模擬的，并且充分發(fā)揮了Opentrack完成復(fù)雜線路仿真的特性。

（二）信號(hào)系統(tǒng)的設(shè)置及其數(shù)據(jù)輸入

為保證列車必要的通過(guò)能力和行車安全[5]，將軌道線路分成若干個(gè)區(qū)間（閉塞分區(qū)）。在每個(gè)區(qū)段內(nèi)只允許一列列車運(yùn)行，使前行列車和追蹤列車之間保持一定的距離，這種行車方法為空間間隔法的閉塞方式，也是我國(guó)常用的閉塞方式。Opentrack軟件仿真時(shí)采用的就是這種閉塞方式，用三種類型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)通過(guò)對(duì)信號(hào)機(jī)的設(shè)置來(lái)描述線路網(wǎng)絡(luò)。

第一層次為區(qū)段。區(qū)段由一系列連續(xù)的雙頂點(diǎn)和雙頂點(diǎn)之間的軌道組成，即閉塞區(qū)間。第二層次為進(jìn)路。進(jìn)路是列車或調(diào)車車列在站內(nèi)運(yùn)行所經(jīng)過(guò)的線路，由同一方向的一個(gè)或多個(gè)區(qū)段組成。第三層次為運(yùn)行路線，即為列車排列進(jìn)路，決定列車的運(yùn)行線路。

在該軟件中，聯(lián)鎖是按照既定規(guī)則在后臺(tái)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)的，用戶只需根據(jù)列車實(shí)際運(yùn)行線路排好進(jìn)路，通過(guò)對(duì)運(yùn)行線（Course）的設(shè)置即可實(shí)現(xiàn)信號(hào)機(jī)、進(jìn)路道岔的聯(lián)鎖，列車運(yùn)行線路即可自動(dòng)生成。

（三）車輛的設(shè)置及其數(shù)據(jù)輸入

Opentrack作為一款基于鐵路網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的仿真軟件，把列車分為城際列車、區(qū)域列車、貨物列車，不同的列車類型決定了軟件中阻力計(jì)算公式的不同。該軟件本身具有在仿真計(jì)算中應(yīng)用的列車數(shù)據(jù)庫(kù)，用戶可根據(jù)需要直接進(jìn)行選擇，操作相對(duì)簡(jiǎn)單，同時(shí)軟件還支持用戶自定義列車類型，通過(guò)列車屬性編輯器按要求輸入列車的相關(guān)參數(shù)，包括最大加速度、列車重量、牽引制動(dòng)曲線等。

編輯好列車數(shù)據(jù)后，軟件依據(jù)列車作業(yè)過(guò)程，按照后臺(tái)既定規(guī)則模擬所有列車在線路內(nèi)的運(yùn)行過(guò)程。其核心部分為運(yùn)行模擬，主要通過(guò)牽引計(jì)算實(shí)現(xiàn)，但用戶可將軟件看成一個(gè)“黑箱”，無(wú)需探究其內(nèi)部操作過(guò)程，只需根據(jù)要求輸入相關(guān)數(shù)據(jù)，并直接利用其仿真結(jié)果即可。

（四）完成仿真及其結(jié)果輸出

最后用戶只需將事先制訂的行車組織方案中的列車時(shí)刻表的相關(guān)時(shí)間按照要求輸入到仿真軟件中即可完成列車運(yùn)行仿真。用戶可直觀地看到列車運(yùn)行過(guò)程、軌道占用情況、進(jìn)路排列情況等的二維動(dòng)畫(huà)，且可利用仿真后設(shè)置生成的列車運(yùn)行圖等仿真數(shù)據(jù)，進(jìn)行各種指標(biāo)的計(jì)算和分析。

四、結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)實(shí)踐，我們發(fā)現(xiàn)將Opentrack仿真軟件運(yùn)用到平時(shí)教學(xué)中后，除了對(duì)教師的課堂講解起到較好的輔助作用之外，對(duì)于學(xué)生各方面能力的提高也有著顯著的作用。借助Opentrack仿真軟件，可提高學(xué)生綜合應(yīng)用能力，培養(yǎng)具有專業(yè)素養(yǎng)的應(yīng)用型人才，從而更好地服務(wù)于城市軌道交通行業(yè)。同時(shí)，仿真實(shí)驗(yàn)作為一種全新的教學(xué)手段，有助于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，尤其是在實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)和設(shè)備受到限制的條件下，開(kāi)展實(shí)驗(yàn)仿真教學(xué)是一條切實(shí)可行之路，也是高等教育的大眾化發(fā)展的一種必然趨勢(shì)。

[ 參 考 文 獻(xiàn) ]

[1] 邱薇華，李健.城市軌道交通企業(yè)管理[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2012.

[2] 高帆，謝世豪.基于Opentrack的軌道交通運(yùn)行仿真實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)[J].沿海企業(yè)與科技，2013（4）：28.

[3] 徐金祥，沖蕾.城市軌道交通信號(hào)基礎(chǔ)[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2010.

[責(zé)任編輯：覃侶冰]